土壤论文正文.doc
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1、济南大学毕业论文摘 要研究碳、氮和磷的平衡关系对于认识生态系统的碳汇潜力以及生态系统如何响应未来气候变暖具有重要的意义。济南南部山区是济南市的重要生态屏障,是济南泉水的源头,其生态建设对全市的可持续发展具有十分重要的意义。本研究运用室外调查与室内实验的方法,通过土壤采集、土壤碳氮磷含量测定,土壤典型特征测定、分析,研究不同植物群落森林土壤的碳、氮和磷的计量特征。通过实验研究济南南部山区典型森林群落土壤碳氮磷的含量,最终获得土壤碳、土壤氮和土壤磷的计量特征,以及三者的关系,找出影响其含量的因素,为石灰岩山地植被恢复与管理提供基础数据,指导植被恢复实践。关键词:土壤;碳;氮;磷;计量特征ABSTR
2、ACTStudy the balance of carbon , nitrogen and phosphorus is of great significance for the understanding of ecosystem carbon sequestration potential, and how ecosystems respond to future climate warming. The South Mountains of Jinan are an important ecological barrier in Jinan City, and they are the
3、source of Jinan spring water, and its ecological construction is very important for the sustainable development of the city. In this study using outdoor surveys and indoor experimental method, through the soil collection, soil carbon nitrogen and phosphorus content determination, determination and a
4、nalysis of typical characteristics of soil, analysis of the carbon, nitrogen and phosphorus measurement characteristics in forest soil in different plant communities. Through experiment study the content of carbon, nitrogen and phosphorus in soil in the typical forest of The South Mountains of Jinan
5、, finally obtained the measured characteristics of soil carbon, soil nitrogen and phosphorus, and find the relationship between the three, identify the factors that influence their contents, provide basic data for the limestone mountain vegetation restoration and management and to guide vegetation r
6、estoration practice.Key words:Soil; carbon; nitrogen; phosphorous; measured characteristics目 录摘要IABSTRACTII1 前言11.1 研究背景11.2 碳氮磷计量学研究的科学意义11.3 土壤碳氮磷计量学特征研究21.4 研究对象32 材料与方法42.1 pH的测定42.2 土壤有机质含量测定42.3 土壤全磷含量测定52.4 土壤速效磷测定72.5 土壤硝态氮的测定82.6 土壤氨态氮的测定92.7 土壤全氮测定103 结果与分析123.1 数据及计算123.2 数据分析与讨论20结论25参考文
7、献26致谢28- 29 -1 前言1.1 研究背景目前,对于碳、氮和磷等元素的研究已经成为全球变化研究的热点之一,并且碳与氮磷等各元素的循环过程是相互关联的1,因此,生态系统碳循环过程将会受到养分循环改变的强烈影响2,所以,单单研究碳的变化就会带来很多方面的成果,不仅相关的生物体对元素的需求会对碳循环的稳定性产生影响,而且这种稳定性也要受到周围环境中化学元素的平衡状况的影响,因此对碳的研究要考虑多方面的因素,并且在生态系统中,碳的储量在比较稳定的情况下是由质量守恒原理来控制的3,除此之外,碳的储量还要受到氮磷等元素的供应量的控制,所以,研究碳、氮和磷的平衡关系对于认识生态系统中碳汇潜力具有很高
8、的生态学意义,对土壤中碳氮磷的研究还可以对研究生态系统是如何对未来的气候变暖现象的响应具有很重要的意义4 。研究济南南部山区典型森林土壤碳氮磷计量特征对于济南森林生态系统的发展与改善具有重要的实践意义。1.2 碳氮磷计量学研究的科学意义氮和磷不仅是植物生长必需的矿质营养元素,而且他们在生态系统中的含量还比较有限,在植物的体内氮和磷存在功能上的联系,他们二者之间具有重要的相互作用,而且两者的相互影响作用比较明显,但是在全球尺度上对于氮磷的研究仍然是缺乏深入探讨的5。植物凋落物分解速率可以通过氮磷养分的有效性来调节,这种有效性也是影响生态系统碳平衡的一个主要因素6,有效性偏高或者偏低都会对植物的生
9、长带来影响,土壤养分的有效性如果较低,则会影响到植物叶子中氮磷的含量,从而导致光合作用的能力也要跟着发生变化7。因此,当土壤养分的有效性下降时,生态系统的净初级生产力就会受到限制8,那么,在土壤中,有机质的分解就会减慢,在森林的地表,其中碳的积累作用也会随着降低,从而进一步影响到了整个的生态系统。在原生生态植物演替期间,植物生长过程中,养分的限制作用是从早期的氮的有效性的限制慢慢转为后期的磷的有效性的限制9,在温带森林地区,植物养分一般是受氮素限制的,而热带地区养分的缺乏主要是磷素 10。不同地区,氮磷的限制作用也是不一样的。Walker L R等11还发现,通过多次的观测与研究,结果表明:在
10、新鲜的凋落物和腐殖质中,土壤的氮磷比将会随着土壤底物时间的增加而增加,因而从热带到温带,森林生态系统将会发生相似的森林退化现象,从而导致了土壤磷有效性的降低。虽然这项研究中使用了森林动力学模型,尽管它没有将物种多样性的功能与作用考虑进去,其研究得出的结论还需大量的研究论证12,但是可以通过叶和凋落物氮磷比的变化来监测土壤养分的有效性,所以,对于研究土壤中的氮素与磷素是必然需要的。但是这些年来由于人类活动对自然生态的破坏与影响,氮素和磷素的循环速度与规模都发生了巨大的变化,从而导致了一系列的环境问题,所以说,对氮磷比的化学计量学的研究,在研究养分循环和研究生态系统的功能上就显得非常重要了13,氮
11、磷比的价值也体现出来了。微生物为了维持它们自身碳与所需养分的平衡,会对土壤碳的含量与凋落物质的增长产生影响,土壤中的微生物与植物的需求之间可以达到并且维持一个相对平衡的元素比,这表明氮和磷可以限制植物的生长,而碳的积累速率与存储的能力又与氮和磷的供应是相联系的11,但是土壤和凋落物中的碳与养分的比值差异到底和生态系统功能之间存在着怎样的关系,目前还是不明确,还需要做大量的研究。生物量中碳与氮磷的化学计量比值的差异,是能够对生态系统中碳的消耗或固定的过程14进行调控并且影响的,因此,在研究中我们可以用CNP化学计量比对生态系统中的碳的循环、氮磷元素的平衡与相互影响的关系进行分析。1.3 土壤碳氮
12、磷计量学特征研究 相关特性主要采用经典统计学方法15,用Excel、Origin分析处理。土壤碳氮磷比是对土壤中有机物质或其它的成分中的碳素与氮素、磷素的总质量的比值,是土壤有机质组成成分的一个重要指标。碳氮磷比主要受区域水热条件以及成土作用特征的控制,不同的耕作方式可能会影响土壤中的有机物质、氮的含量和其他的物理性质16。氮和土壤中的有机物质结合成的有机组合构成了一个大仓库,氮就是在这个大仓库中慢慢提供给作物的。耕作处理可以对深度达0到30厘米的土壤中的有机物质含量有明显的影响作用。不同的氮肥引用率会影响土壤中总的百分氮的含量。氮对作物的营养起着关键的作用,并且对氮的管理方法是作物产量的极为
13、重要的一方面。在所有的营养中,植物对氮的需求是远远超过其他元素的16。土壤中的碳氮磷的总量会受到气候、植被、地貌、年代、母岩、土壤动物等因子和人类活动的影响,空间的变异性会比较大,碳氮比的变化也会不同,比如我国的湿润温带地区的土壤中的碳氮比值会稳定在10到12左右,热带与亚热带的红和黄壤则可高达20,而我们常见的耕作土壤的表层中,土壤有机质的碳氮比值会在8到15之间,平均在10到12之间,平均值比较稳定,但是局部的会发生较不明确的变化,它们处于植物残体与微生物的碳氮比之间17。影响着碳氮比的因素很多,很多也不明确。土壤碳氮比也会因为不同的植被类型而存在差异,例如土壤碳氮比从森林的13上升到退化
14、草地的17,其随着生他植物演替的变化大体是这样的,生态系统的高密度部分中土壤有机质比它的轻组部分有着更低的碳氮比18,原因是植物通过消耗和释放不同的环境要素比值的元素,从而对土壤碳氮磷比值产生的影响19,归其原因,基本是如此的,其他的影响很微小。无论是土壤的物理结构还是化学性质以及土壤的厚度都会对土壤碳氮磷比产生一定的影响,分析时要分别对各因素进行探索。1.3.1 国内外研究现状近年来,国内外对土壤碳氮磷的研究有上升的趋势。通过统计学的方法,国内外已有许多学者对农田土壤有机质以及各种养分的时空变异进行了研究,并且对土壤中碳氮磷的空间和时间上的变异特征进行了分析,探讨了这些物质元素变异的原因,并
15、且从中取得了非常丰富的研究成果20-23。土壤有机碳与全氮比值的演变非常值得我们的重视24,因为碳氮比是土壤质量的敏感指标,而且碳氮比会影响到土壤中有机碳和氮的循环25。对此,国内外展开特别针对的研究,不仅对植物中生物量进行研究,而且对土壤中碳的储量也开展了大量的探讨,有的研究在此基础上应用高光谱技术对植被的生化参数进行提取并且对植物叶片中的碳氮比4进行了估测。农田生态系统受人为的影响比较强烈,耕作模式、利用效果、施肥量等农业措施都会直接或间接的影响土壤碳和氮的比例关系,无论哪种影响,其效果不会很容易的确定的,这些因素都会引起微生物的活性,从而影响土壤的质量并且会对土壤的碳、氮循环24造成一定
16、的影响,他们的研究还表明碳氮循环的变化状况又会对农田生态系统的正常功能的发挥以及土壤用作大气碳、氮源和汇作用等有重要的影响26。现在的研究很少将植物凋落物的土壤作为一个完整的系统来考虑的,绝大多数是应用生态计量学原理对植被叶的氮磷比以及微生物量的碳磷比的。现在全球尺度上土壤氮磷的限制依旧没有被很好的研究和分析,接下来的探讨就需要我们考虑凋落物和土壤碳氮磷比随着水热梯度的变化特征以及各种影响因素。 1.4 研究对象此次研究对象为济南南部山区典型森林土壤,分别采取了不同植被与群落的土壤,分别为:(1)10年的侧柏土壤;(2)草本植物土壤;(3)灌草植被土壤;(4)5年的侧柏土壤。将土样进行编号,其
17、中n-m-A-或n-m-B-表示第n种植被土壤的第m个采样点,A表示深度是0-10cm,B表示采样深度是10-20cm, 表示第一个样品, 表示第二个样品,依次类推。例如:1-1-A- 表示10年的侧柏(“1”)土壤的第一个(“1”)采样点,采样深度是0-10cm(“A”),实验时的第一个(“”)平行样品;4-3-B- 表示5年的侧柏土壤(“4”)的第三个(“3”)采样点,采样深度是10-20cm(“B”),实验时的第二个(“”)平行样品。2 材料与方法2.1 pH的测定 主要使用仪器:酸度计(PHS-3D)进行测定。测定步骤:称取通过2mm土壤筛风干土壤6.0g于50mL离心管中,再加15m
18、L去离子水,以2.5:1得水土比进行浸提抽滤,置于摇床中以180rpm转速摇匀30min, 使土粒充分分散,待静置30 min后进行测定。将电极插入待测液中,静置片刻,读数稳定后记下pH值。2.2 土壤有机质含量测定2.2.1 仪器与试剂主要使用仪器:AIM600电热消解仪、250mL三角瓶、小漏斗试剂:(1) 0.8000mol/L的重铬酸钾标准溶液: 称取39.2245g重铬酸钾于水中,加热溶解冷却后定容至1L。(2) 0.2mol/L的硫酸亚铁溶液: 称取56.0g硫酸亚铁溶于水,加入15mL浓硫酸,定容至1L,于棕色瓶中保存。(3) 邻啡罗琳试剂:称取1.485g邻啡罗琳,溶于含1.0
19、0g硫酸亚铁的100 mL水溶液中,此指示剂易变质,应于密闭棕色瓶中保存备用。(4) 浓硫酸(H2SO4)=1.84gmL-1;2.2.2 测定步骤(1) 称取过100目筛的风干土样0.2g于消煮管中。用移液管准确移入5mL 0.8mol/L重铬酸钾标准溶液,加入5ml浓硫酸,小心摇匀并加盖小漏斗;(2) 消解仪预热到180,待管中液体沸腾冒泡开始计时,煮沸5min,中间摇动几次;(3) 取下消煮管冷却片刻后,将试管内容物小心洗入250mL三角瓶中,用水洗净小漏斗及试管内部,少量多次,使得三角瓶内体积在60-80mL左右;(4) 加3-4滴指示剂,用0.2mol/L硫酸亚铁滴定,溶液经橙黄蓝绿
20、砖红色为终点,记录滴定所用毫升数。土壤有机碳的计算公式: 土壤有机碳(gkg-1)= (1)式中:c0.8000 molL-1 (1/6 K2Cr2O7)标准溶液的浓度; 5加入的重铬酸钾标准溶液体积,mL; V0空白滴定所用FeSO4体积,mL; V样品滴定所用FeSO4体积,mL; 3.01/4碳原子的摩尔质量,gmol-1; 10-3将mL换算为L; 1.1氧化校正系数; m风干土样质量,g; k将风干土换算成烘干土的系数。有机质计算公式如下: SOM=(cV1/V)(V0-V)M10-31.081.724100/m (2)式中,SOM土壤中有机质的质量分数,%;cK2Cr2O7溶液浓度
21、,molL-1;V1K2Cr2O7溶液的体积,mL;V0空白滴定用去FeSO4溶液体积,mL;V土壤样品用去FeSO4溶液体积,mL;M1/4C的摩尔质量,3 gmoL-1;1.08氧化校正系数(按平均回收率92.6%计算);1.724将有机碳换算成有机质的系数(按土壤有机质的平均含碳量为58%计算)2.3 土壤全磷含量测定2.3.1 仪器与试剂主要使用仪器:AIM600电热消解仪、2100型分光光度计、消煮管,小漏斗,100ml容量瓶,100mL锥形瓶,50ml容量瓶,移液管,1L烧杯试剂:(1)磷标准溶液:称取0.2197g 45烘干8小时的磷酸二氢钾,用少量水溶解,用水定容至1L,即50
22、mg/L的磷基准溶液。吸取50mL磷基准溶液稀释至500mL,即为5mg/L的磷标准溶液;(2)硫酸钼锑贮存液:将装有约400ml蒸馏水的1L烧杯浸在冷水中,缓缓注入208.3ml分析纯浓硫酸,不断搅拌,冷却至室温。称取20g分析纯钼酸铵溶于200mL温度约60的蒸馏水中,冷却。将硫酸溶液慢慢倒入钼酸铵溶液中,并不断搅拌,加入100mL 0.5%酒石酸锑钾溶液,稀释至1L,摇匀贮存;(3)二硝基酚:0.25g二硝基酚溶于100mL蒸馏水中;(4)钼锑抗混合色剂:将1.5g左旋(旋光度+21+22)抗坏血酸加入100mL钼锑贮存液中,此试剂宜用前配制,有效期为24小时。2.3.2 测定步骤(1)
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